多能互补综合能源电力系统的建设模式初探

　　　　第３４卷第１期电力科学与技术学报Vol􀆰３４No􀆰１２０１９年３月JOURNALOFEIECTRICPOWERSCIENCEANDTECHNOLOGYMar􀆰２０１９　多能互补综合能源电力系统的建设模式初探李宇泽１,齐　峰２,朱英伟３,王　鹏３,侯健生３,文福拴２(１．重庆大学－辛辛那提大学联合学院,重庆４０００４４;２．浙江大学电气工程学院,浙江杭州３１００２７;３．金华电力设计院有限公司,浙江金华３２１０００)摘　要:全球能源转型正处于关键阶段,发展多能互补综合能源电力系统是实现能源转型的重要途径.在此背景下,首先针对不同场景探讨多能互补综合能源电力系统的建设模式,并分别以城市级大系统和园区级小系统为载体,结合各自能源结构特点,提出适用于各场景下的综合能源电力系统建设模式.接着,对这些建设模式的投资效益和能源综合利用效率进行测算.最后,对人工智能在综合能源电力系统中的潜在应用,和泛在电力物联网的发展对综合能源电力系统建设的影响进行简要展望.关　键　词:综合能源电力系统;建设模式;投资效益;能效中图分类号:TM７１５　　　　文献标志码:A　　　　文章编号:１６７３Ｇ９１４０(２０１９)０１Ｇ０００３Ｇ０８ApreliminaryinvestigationonconstructionmodesofamultiＧenergycomplementaryintegratedenergysystemLIZongＧze１,QIFeng２,ZHUYingＧwei３,WANGPeng３,HOUJianＧsheng３,WENFuＧshuan２(１．ChongqingUniversityＧUniversityofCincinnatiJointCoＧopInstitute,Chongqing４０００４４,China;２．CollegeofElectricalEngineering,ZhejiangUniversity,Hangzhou３１００２７,China;３．JinhuaElectricPowerDesignInstituteCo．LTD,Jinhua３２１０００,China)Abstract:Theglobalenergytransitioniscurrentlyatacriticalstage,andthedevelopmentofanintegratedenergysysＧtem(IES)withcomplementarymultiＧenergyisanimportantwayforimplementingenergytransition．Giventhisbackground,theconstructionmodesofamultiＧenergycomplementaryIESunderdifferentscenariosarefirstlyinvestiＧgatedwithanurbanＧlevellargeＧscaleIESandaparkＧlevelsmallＧscaleIEStakenasresearchscenarios．Next,theinＧvestmentbenefitsandcomprehensiveenergyutilizationefficiencyoftheproposedconstructionmodesareevaluated．Finally,abriefprospectispresentedforpotentialapplicationsofartificialintelligenceintheIES,andimpactsofubiqＧuitouspowerInternetofThings(IoT)fortheIES．Keywords:integratedenergysystem;constructionmode;investmentbenefit;energyefficiency收稿日期:２０１９Ｇ０１Ｇ２１;修回日期:２０１９Ｇ０３Ｇ０８基金项目:国家重点研发计划(２０１７YFB０９０３０００)通信作者:文福拴(１９６５Ｇ),男,教授,博士生导师,主要从事电力系统故障诊断与系统恢复、电力经济与电力市场、智能电网与电动汽车等方面的研究;EＧmail:[e-mail]电　　力　　科　　学　　与　　技　　术　　学　　报２０１９年３月　　随着传统化石能源的逐渐枯竭以及自然环境的逐步恶化,以化石能源为核心的能源生产消费模式已难以为继,能源行业的技术基础和组织结构正在逐步变化[１Ｇ３].构建以风能、太阳能等可再生能源发电为核心的能源供需体系、引导能源行业转型升级,已成为世界范围内能源领域的重要发展方向[４Ｇ５].电能作为二次能源的核心,在可再生能源的生产、输送和消费环节扮演着重要角色[６],因此,引导传统电力系统向着多能互补的综合能源电力系统转化是实现能源转型的重要途径,也是能源革命的主要方向和重要目标[７Ｇ１０].多能互补指电力和石油、煤炭、天然气等多种能源子系统之间的协调,强调各类能源之间的平等性、可替代性和互补性[１１].２０１５年７月,国务院印发«关于积极推进“互联网＋”行动的指导意见»,用专门篇章阐述了“互联网＋智慧能源”,描绘了未来综合能源电力系统发展路线图[１２].２０１７年１０月,国家电网公司发布了«关于在各省公司开展综合能源服务业务的意见»,阐明了开展综合能源服务业务的重要意义和总体要求[１３].国家自然科学基金委员会于２０１６年１０月开展了主题为“新一代综合能源电力系统”的论坛.经与会学者充分讨论,认为“新一代综合能源电力系统不仅存在各类能源多环节复杂的时空耦合关系,同时还是能源系统与信息系统深入融合的产物,是典型的信息物理融合系统(CyberＧPhysicalSystem,CPS),具有超高维数、强非线性、复杂多时标、强耦合性、强随机性等特征”.综合能源电力系统近年来发展迅速,逐步引导能源系统的深度变革,引起国内外电力与能源学术界和工业界的广泛关注.文献[１４]探讨了综合能源电力系统的概念,并提出了其建模研究框架.文献[１５]从战略上探讨了中国能源转型的总体趋势和转型中的新一代电力系统的技术特征.文献[１６]分别以“电Ｇ热耦合”和“电Ｇ气耦合”为研究对象,从消纳间歇性可再生能源发电角度对多能源系统的关键科学技术问题进行了归纳总结.文献[１７]探讨了多能互补综合能源系统的设计思路,提出了全面综合的评价指标,对综合能源系统的有效评价提供了重要依据.文献[１８]针对综合能源服务,从市场、经济和管理等角度阐述了其体系架构.多能互补综合能源电力系统与“能源互联网”、“多能源耦合系统”等概念虽一脉相承,但也有其自身的特点,所面临的挑战和战略发展重点也不尽相同.顾名思义,综合能源电力系统的侧重点应该放在电力系统本身的发展和建设上,充分发挥电力系统成熟的网架结构和技术储备,从电力系统的角度来思考能源体制改革的大问题,提出适用于电力系统自身发展的、并能更好与其他能源系统(如天然气系统和供热系统)协调运行的建设模式[１９Ｇ２１].因此,探讨不同场景下的综合能源电力系统建设模式就具有重要意义.在上述背景下,该文以城市大规模及园区小规模２种场景为载体,结合２种场景的供能Ｇ用能特性,提出适用于２种场景的综合能源电力系统建设模式,并分别对其投资效益和能源综合利用效率进行测算.１　综合能源电力系统建设模式探讨以杭州市为例,以城市和园区为两大载体,首先对各载体能源结构进行分析和处理,然后提出适于各载体特性的综合能源电力系统建设模式.１．１　城市综合能源电力系统的建设模式１．１．１　城市能源结构分析从供能组成来讲,城市层面的综合能源电力系统除需从输电系统馈入电能外,还需消纳居民楼宇、城市周边的中小型可再生能源机组并网功率,调度“以热定电”热电联产机组供热时产生的电功率,以及接纳电动汽车反向馈入配电系统的功率.在能源需求方面,城市综合能源系统中的电力负荷除了居民用电、商业用电、工业用电等常规形式外,还会出现以电动汽车充电负荷为代表的新型灵活电力负荷.此外,电力系统与其它能源系统间的耦合设备的电能消耗,也是综合能源电力系统负荷的一个重要特性.在热力负荷方面,杭州市地处长江以南,冬季无居民生活供暖负荷,全年热负荷以工业供热为主,具有分散式、小容量等特点,且主要以供冷需求为主.４第３４卷第１期李宇泽,等:多能互补综合能源电力系统的建设模式初探对城市典型日内的能源负荷进行归一化处理,可得如图１所示负荷曲线,其中包括电、气、热、冷４种负荷需求形式,最大电力负荷为７３３􀆰２２MW,最大热负荷为６６５􀆰６２MW,最大冷负荷为４１８􀆰３６MW,最大天然气负荷为５４６􀆰８３m３/h.采用归一化方法展示,便于观察不同能源负荷间的时间耦合关系:电、热负荷高峰的时间重叠度较高,主要为白天工作时段;天然气用能高峰主要出现在晚间１８∶００－２４∶００,与电、热负荷间存在时间上的互补协调潜力.可以在白天工作时段广泛采用燃气机组供给热、电负荷,而在夜间用电低谷时,则采用电采暖设备供暖和电转气设备储存天然气.图１　城市典型日能源负荷曲线Figure１　Typicaldailyenergyloadcurvesinurbanareas１．１．２　城市综合能源电力系统建设模式就城市范围内的综合能源电力系统建设而言,依托现有变电站建设综合能源站,是一种可行、高效、低成本的方式,便于增强电力系统与其他能源网络间的耦合[２２].图２展示了１１０kV大型综合能源站的典型建设方案.图２　１１０kV大型综合能源站模式Figure２　A１１０kVlargeＧscaleintegratedenergystation在大型综合能源站中,既有电力系统内部的变压器安装区、可再生能源发电区、电动汽车充电区,还有与天然气网络和热网络能量转化的耦合设备安装区,更有电储能、热储能和天然气储气等设备的安装区,实现了多种能源形式的集中式建站和管理.这样的大型综合能源站可配套建设相关的数据采集系统、软件运行控制平台等,实现能源站内的优化调度.大型能源站中的可再生能源机组、热电联产机组、电转气设备、充电设施等,可由电网公司统一投资建设,且可以考虑选用较大容量的机组/设备,便于实现以电网公司为主导的１１０kV大型综合能源站统一协调运行.１．２　园区综合能源电力系统的建设模式探索１．２．１　园区能源结构分析随着改革开放的持续深化,浙江省不断调整和升级产业结构,大力推动区域经济发展,各种形式的园区(包括高新区、开发区、科技园、工业区、产业基地、特色小镇等,以及近年来各地陆续提出的产业新城、科技新城等)不断涌现.园区一般指由政府(或民营企业与政府合作)规划建设的,供水、供电、供气、通讯、道路、仓储及其他配套设施齐全、布局合理且能够满足从事某种特定行业生产和科学实验需要的标准型建筑物或建筑物群体.目前,浙江省已建成一批工业园区、高新技术园区、特色小镇.在供能结构方面,早期的园区主要采用分产供能方式,其供能稳定,但不能实现能源的最有效利用.为积极承接产业转移,优化区域资源配置,园区的发展观念从最初的鼓励“三来一补”(“来料加工”、“来料装配”、“来样加工”和“补偿贸易”)型企业到如今发展经济、环境和社会协调型企业,经历了数次革新.将天然气冷热电联供技术与风和光等间歇性可再生能源发电技术有机结合,基于综合能源电力系统的大思维模式建设新型园区,开拓了解决园区能源利用不合理的新途径.在能源需求方面,园区内聚集了多个用能特性相似的个体,具有能源需求量大且具有明显的不确定性、用能集中、电能质量和供电可靠性要求高、经济发展和节能减排矛盾、汇集冷热电气多种负荷等特点.与前述杭州市城市能源负荷特性类似,杭州市主要园区的电、热负荷高峰时间重叠度较高,主要为白天工作时段;天然气用能高峰主要出现在晚间,与电、热负荷间存在时间上的互补协调潜力.热负荷主要以工业园区内的工业用热为主.杭州市某典型园区综合能源电力系统的冷、热、电、气负荷需求如图３所示.５电　　力　　科　　学　　与